УДК 621.317

Вступ

Розвиток вітчизняної економіки нероздільно пов’язаний з вирішенням проблем комплексної автоматизації. В галузях, що займаються переробкою рідких продуктів важливе місце займають пристрої, які дозволяють визначити склад рідини. Серед цих пристроїв важливе місце займають рефрактометри.

В праці [1] запропоновано модель первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів (ППЦ). Але виявилося, що результати вимірювання вмісту сухих речовин за допомогою рефрактометрів суттєво залежать від впливу дестабілізуючих факторів, зокрема температури навколишнього середовища та вимірюваної рідини та забруднення внутрішньої стінки ППЦ. Зміна температури призводить до зміни щільності рідини та самого ППЦ, а це, в свою чергу, відбивається на результатах вимірювання. Також, як показали експериментальні дослідження в реальних умовах цукрового виробництва, на точність вимірювання впливає поступове, досить повільне забруднення внутрішньої стінки ППЦ речовинами, що на ній осідають.

Ця стаття присвячена вирішенню проблеми впливу температури та забруднення внутрішньої стінки ППЦ на передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометра на основі ППЦ.

Постановка проблеми

Для побудови моделі рефрактометра в праці [2] розглянуто процес проходження випромінювання через ППЦ із рідиною всередині. ППЦ з рідиною представлений у вигляді двох середовищ з різними показниками заломлення n_ц і n_р відповідно. Було отримано математичні моделі проходження світла крізь ППЦ. На основі цих моделей в праці [1] запропоновано модель первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ. Проте і ППЦ і рідина всередині ППЦ мають власні температурні коефіцієнти показника заломлення  для ППЦ та  для рідини. Тому для підвищення точності вимірювання необхідно провести дослідження впливу температури на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра.

У процесі опромінення ППЦ пучком рівнобіжних променів відбувається їхнє розсіювання. На характеристику розсіювання впливає також рідина, що знаходиться усередині ППЦ. Для вирішення задачі розподілу вихідного потоку ППЦ у просторі правомочна заміна пучка рівнобіжних променів на промінь, що сканує поперек поверхні ППЦ паралельно лінії реєстрації [3]. Багаторазово відбиті промені, що не роблять істотного впливу на результуючу картину розсіювання, при цьому не розглядаються.

Вплив температури можна поділити на два випадки: коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ, коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Зміна температури будь якого з середовищ призводить до зміни кута виходу променя з ППЦ θ завдяки зміні показника заломлення цього середовища [1].

Наступним фактором, що вносить похибку у результати вимірювання є забруднення внутрішньої стінки ППЦ речовинами, що на ній осідають. Для видалення цих речовин необхідно періодично промивати ППЦ зсередини промиваючою рідиною. Для цього в конструкцію пристрою необхідно ввести можливість автоматично подавати всередину ППЦ рідину для промивання.

Виникає проблема побудови моделі первинного перетворювача рефрактометра, що враховує вплив зазначених факторів, і розробки на її основі структурних рішень, що забезпечують точність вимірювання незалежно від температури і забруднення внутрішньої стінки ППЦ.

Модель впливу температури і забруднень на передавальну характеристику рефрактометра

Спочатку розглянемо модель впливу температури у випадку, коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ. Тоді температурний коефіцієнт показника заломлення середовища впливає на показники заломлення середовищ наступним чином :

.                                               (1)

Подальші розрахунки кута θ з використанням рівнянь (1) виконуються згідно з методикою описаній у праці [1].

Тепер розглянемо модель, коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Тоді необхідно оцінити вплив різниці температур ППЦ на внутрішньому ш зовнішньому колах. При цьому розподіл температури в середині стінки ППЦ відбувається за законом описаним формулою [4] :

 ,                                                   (2)

де R₁ – внутрішній радіус ППЦ, R₂ – зовнішній радіус ППЦ, Т₁ – температура внутрішньої стінки ППЦ, Т₂ – температура зовнішньої стінки ППЦ, r – проміжний радіус, T(r) – температура ППЦ на радіусі r, як показано на рисунку 1.

Рис. 1 розподіл температур всередині ППЦ

Проте для визначення впливу розподілу температури на передавальну характеристику реального первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ слід враховувати динаміку зміни температури рідини, точну кількість рідини, що подається у ППЦ, температурні властивості конструктивних елементів первинного перетворювача, які мають механічний контакт з ППЦ, та багато інших параметрів, які можуть впливати на розподіл температури у первинному перетворювачі. Врахувати всі ці фактори дуже технічно складно, тому в конструкції первинного перетворювача доцільно буде застосувати температурну стабілізацію рідини, що вимірюється, та самого ППЦ. Цю задачу можна вирішити наступним чином: для стабілізації температури рідини пропустити її через теплообмінник, що живиться стабілізуючою водою постійної, або такої, що дуже повільно змінюється, температури, а сам первинний перетворювач розмістити всередині термостата, що живиться тією самою стабілізуючою водою. Таким чином для врахування впливу температури буде достатньо виміряти температуру всередині термостата і ввести її значення до моделі первинного перетворювача, що наведена у [2], за допомогою рівнянь (1).

Очищення внутрішньої стінки ППЦ можна здійснити, додавши до рефрактометра два клапани, що будуть по черзі під`єднувати до первинного перетворювача канал з рідиною для промивання та канал з рідиною, що вимірюється.

Проте, у разі використання в якості рідини для промивання дистильованої води, яка не містить у собі розчинених сухих речовин, можна додатково проводити калібровку рефрактометра, визначаючи відхилення показника заломлення від його значення при температурі 20 °С. Для цього спочатку подаємо в ППЦ дистильовану воду. Після очищення внутрішньої стінки ППЦ проводимо вимірювання показника заломлення дистильованої води (при 20 °С показник заломлення дистильованої води n_о = 1.3329):

,                                                   (3)

де K_П  - номінальний коефіцієнт передачі пристрою,  - відносна зміна коефіцієнта передачі пристрою, i = 1, 2, 3 ... - порядковий номер вимірювання значення показника заломлення,  - показник заломлення дистильованої води.

Результат вимірювання показника заломлення дистильованої води Nв_i після кожного i -го вимірювання слід порівнювати з величиною

.                                                                  (4)

Якщо Nв_i ¹ N₁,  то необхідно задати таку яскравість випромінювача за рахунок зміни струму через випромінюючий світлодіод, щоб зменшити відносну зміну коефіцієнта передачі пристрою  і забезпечити рівність Nв_i = N₁ з похибкою, що не перевищує значення DN_ДОД – додаткова складова похибки. Таким чином:

,                                                                 (5)

де Nв_о – результат виміру показника заломлення дистильованої води при температурі 20 °С,  – похибка вимірювання. .

З урахуванням (5) результат вимірювання показника заломлення дистильованої води в загальному випадку, коли температура навколишнього середовища і вимірюваної води не дорівнює 20°С, при виставленій яскравості випромінювання може бути зазначений формулою:

,                                                  (6)

де  - похибка вимірювання показника заломлення зразкової міри, приведена до входу пристрою.

Після визначення відхилення показника заломлення дистильованої води подаємо до ППЦ рідину, що вимірюється, і при встановленій яскравості випромінювача вимірюємо показник заломлення досліджуваної рідини:

,                                                    (7)

де  - показник заломлення досліджуваної рідини;  - похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини, приведена до входу пристрою.

Після вимірювання показника заломлення вимірюваної речовини одержуємо:

.                                         (8)

Відповідно до формули (8) похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини n_р  буде мінімальною за умови

                                                                     (9)

Для виконання рівняння (9) необхідно забезпечувати підтримку постійної температури впродовж обох тактів вимірювання дистильованої води і вимірюваної речовини, що може бути досягнуте за допомогою води, що стабілізує температуру. При цьому можна відмовитись від вимірювання температури первинного перетворювача.

Структура рефрактометра

З урахуванням наведених вище міркувань ми отримуємо структуру автоматичного рефрактометра, що має у своєму складі такі додаткові елементи: теплообмінник; термостат з розташованою в ньому ізольованою ємністю, в середині якої знаходиться первинний перетворювач рефрактометра; два клапани, що під’єднують до ППЦ канали з вимірюваною рідиною та дистильованою водою та трійник для об’єднання цих двох каналів в один. Структура рефрактометра зображена на рисунку 2.

Рис. 2 Структура автоматичного рефрактометра
на основі прозорих порожнистих циліндрів

Вимірювана речовина і дистильована вода, проходячи через теплообмінник отримують температуру води, що стабілізує температуру. Первинний перетворювач знаходиться у середині термостату, температура якого підтримується за допомогою тієї самої води, що стабілізує температуру. Керування клапанами, цифро–аналоговим перетворювачем, фотоприймачем, вирахування необхідних поправок та обчислення вмісту сухих речовин в досліджуваній рідині виконує мікроконтролер сімейства AVR фірми Atmel.

Висновки

Отримана конструкція автоматичного рефрактометра на основі ППЦ, за допомогою якої вирішуються проблема впливу температури на результати вимірювання та проблема забруднення внутрішньої стінки ППЦ. Як показали експериментальні дослідження, похибка вимірювання показника заломлення за допомогою рефрактометра описаної конструкції не перевищила ± 0,5×10^-4  при зміні температури вимірюваної рідини від 15 до 65°С.

1.                  Теленик С.Ф., Гришко В.Ф., Долина В.Г. Моделі первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси і системи. №1(15), Херсон 2005, с.124 - 139

2.                  Долина В.Г. Передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Збірник наукових праць, випуск 30, Харків 2005 – с.247-249.

3.                  Smithgall D.H. Light scattering model for the determination of fiber location in silicone coatings. Applied Opt., 1982, v.21, №7, p.1326-1331.

4.                  Нащокин В.В.  Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр. и доп. — М: Высш. школа, 1980. — 469 с.